CN106339978B - 一种基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过利用分块策略选择出图像中复杂度高于设定的阈值图像块，作为嵌入目标；接着对目标块和水印图像做小波变换和压缩感知变换，得到测量值矩阵；然后通过对测量值矩阵做奇异值分解和替换，实现水印信息的嵌入过程；最终通过小波逆变换得到含水印的彩色图像；而在提取水印图像时，无需原始载体图像的参与，实现对水印信息的盲提取。该水印方法在保证水印信息安全的前提下，具有隐蔽性好、安全性高和鲁棒性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像领域，更具体地，涉及一种基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法。
背景技术
随着网络、多媒体的普及，数字图像信息的应用越来越广泛，然而，与之伴随着的多媒体信息的安全性及版权保护问题也凸显了出来。数字水印技术的提出为这些问题的解决提供了有效的途径。
然而目前的数字水印技术大都为灰度图像水印算法，针对彩色图像防伪的数字图像水印算法研究并不多见。同时，目前的数字水印算法存在方法简单、算法不稳定，容易受噪声干扰等问题，导致提取出的水印效果较差，甚至根本无法提取水印信息，不能很好的起到防伪作用。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的难题，提供了一种基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，该方法在保证水印信息安全的前提下，具有隐蔽性好、安全性高和鲁棒性强等优点。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，包括水印嵌入部分和水印提取部分：
(1)水印嵌入部分：
步骤101：将彩色载体图像中的B通道图像分割成不重叠的图像块，得到图像块集合f，并选择其中的部分图像块fi作为水印嵌入目标，将图像块fi的位置i作为提取水印的1号密匙进行保存；
步骤102：对图像块fi做小波变换，得到其高频子带系数矩阵H；
步骤103：通过稀疏基Ψ和观测矩阵Φ，对高频子带系数矩阵H及原始的图像块fi做压缩感知变换，得到测量值矩阵YH和YW；
步骤104：对测量值矩阵YH和YW做SVD变换：
其中UH、UW、为正交矩阵，∑H、∑W为对角矩阵；
此时通过使用∑W来替换测量值矩阵YH中的∑H来嵌入水印信息，其公式为：
其中Y′H为嵌入水印后的测量值矩阵，将UW和作为提取水印的2号密匙进行保存；
步骤105：使用观测矩阵Φ、嵌入水印后的测量值矩阵Y′H进行压缩感知优化重构，得到嵌入水印后的高频子带系数矩阵H′；
步骤106：对高频子带系数矩阵H′和原始图像块fi中的低、中频子带做小波逆变换，恢复得到嵌入水印后的图像块fi′；
(2)水印提取部分
步骤201：提取含水印的彩色载体图像中的B通道图像，然后通过1号密匙在B通道图像中找到嵌入了水印的图像块fi *；
步骤202：对图像块fi *进行小波变换，得到高频子带系数矩阵H*，通过稀疏基Ψ和观测矩阵Φ对高频子带系数矩阵H*及图像块fi *做压缩感知变换，获得测量值矩阵
步骤203：对测量值矩阵做SVD变换，得到对角矩阵此时，通过2号密匙提取出水印信息Wi *：
上述方案中，水印嵌入及提取方法利用分块策略进行压缩感知，再通过SVD变换实现水印的嵌入。水印提取时无需原始载体图像的参与，能够实现对水印信息的盲提取。该方法在保证水印信息安全的前提下，具有隐蔽性好、安全性高和鲁棒性强等优点。
优选地，所述步骤101中，选取复杂度高于所设定阈值的图像块作为水印嵌入目标。
优选地，所述步骤101中，根据图像块方差值的大小来评判其复杂度，若图像块方差值的大小大于设定的阈值，则将其作为水印嵌入目标。
优选地，所述图像块方差值计算的具体过程如下式所示：
设图像的大小为A×A，分块大小为B×B，则图像块方差的计算公式为：
其中，pij表示第i个图像块中第j个像素的灰度值，表示第i个图像块的平均灰度值，Di表示第i个图像块的方差。
优选地，所述稀疏基Ψ为正交小波基，测量矩阵Φ为随机伯努利矩阵。
优选地，所述步骤105中，对测量值矩阵Y′H做压缩感知优化时选用正交匹配追踪算法。
优选地，所述步骤203中，提取到n个图像块fi *的水印信息Wi *后，对n个图像块fi *的水印信息Wi *取均值处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的方法利用分块策略选择出图像中复杂度高于设定的阈值图像块，作为嵌入目标；接着对目标块和水印图像做小波变换和压缩感知变换，得到测量值矩阵；然后通过对测量值矩阵做奇异值分解，实现水印信息的嵌入过程；最终通过小波逆变换得到含水印的彩色图像；而在提取水印图像时，无需原始载体图像的参与，能够实现对水印信息的盲提取。该方法在保证水印信息安全的前提下，具有隐蔽性好、安全性高和鲁棒性强等优点。
附图说明
图1为本发明提供的水印嵌入及提取方法的流程示意图。
图2为本发明提供的水印嵌入及提取方法的水印嵌入部分的流程示意图。
图3为本发明提供的水印嵌入及提取方法的水印提取部分的流程示意图。
图4为本发明提供的水印嵌入及提取方法的水印嵌入部分的具体实施示意图。
图5为本发明提供的水印嵌入及提取方法的水印提取部分的具体实施示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1～5所示，基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法包括水印嵌入部分和水印提取部分：
(1)水印嵌入部分：
步骤101：将彩色载体图像中的B通道图像分割成不重叠的图像块，得到图像块集合f，并选择其中的部分图像块fi作为水印嵌入目标，将图像块fi的位置i作为提取水印的1号密匙进行保存；
步骤102：对图像块fi做小波变换，得到其高频子带系数矩阵H；
步骤103：通过稀疏基Ψ和观测矩阵Φ，对高频子带系数矩阵H及原始的图像块fi做压缩感知变换，得到测量值矩阵YH和YW；其中稀疏基Ψ为正交小波基，测量矩阵Φ为随机伯努利矩阵；
步骤104：对测量值矩阵YH和YW做SVD变换：
其中UH、UW、为正交矩阵，∑H、∑W为对角矩阵；
此时通过使用∑W来替换测量值矩阵YH中的∑H来嵌入水印信息，其公式为：
其中Y′H为嵌入水印后的测量值矩阵，将UW和作为提取水印的2号密匙进行保存；
步骤105：使用观测矩阵Φ、嵌入水印后的测量值矩阵Y′H进行压缩感知优化重构，得到嵌入水印后的高频子带系数矩阵H′；本实施例中，对测量值矩阵Y′H做压缩感知优化时选用正交匹配追踪算法
步骤106：对高频子带系数矩阵H′和原始图像块fi中的低、中频子带做小波逆变换，恢复得到嵌入水印后的图像块fi′；
(2)水印提取部分
步骤201：提取含水印的彩色载体图像中的B通道图像，然后通过1号密匙在B通道图像中找到嵌入了水印的图像块fi *；
步骤202：对图像块fi *进行小波变换，得到高频子带系数矩阵H*，通过稀疏基Ψ和观测矩阵Φ对高频子带系数矩阵H*及图像块fi *做压缩感知变换，获得测量值矩阵
步骤203：对测量值矩阵做SVD变换，得到对角矩阵此时，通过2号密匙提取出水印信息Wi *：
步骤204:提取到n个图像块fi *的水印信息Wi *后，对n个图像块fi *的水印信息Wi *取均值处理。
上述方案中，水印嵌入及提取方法利用分块策略进行压缩感知，再通过SVD变换实现水印的嵌入。水印提取时无需原始载体图像的参与，能够实现对水印信息的盲提取。该方法在保证水印信息安全的前提下，具有隐蔽性好、安全性高和鲁棒性强等优点。同时，提取到n个图像块fi *的水印信息Wi *后，对n个图像块fi *的水印信息Wi *取均值处理。能够达到增强水印鲁棒性的目的，使提取的水印效果更好。
在具体的实施过程中，选取复杂度高于所设定阈值的图像块作为水印嵌入目标。比如，可根据图像块方差值的大小来评判其复杂度，若图像块方差值的大小大于设定的阈值，则将其作为水印嵌入目标。本实施例中，图像块方差值计算的具体过程如下式所示：
设图像的大小为A×A，分块大小为B×B，则图像块方差的计算公式为：
其中，pij表示第i个图像块中第j个像素的灰度值，表示第i个图像块的平均灰度值，Di表示第i个图像块的方差。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：包括水印嵌入部分和水印提取部分：
(1)水印嵌入部分：
步骤101：将彩色载体图像中的B通道图像分割成不重叠的图像块，得到图像块集合f，并选择其中的部分图像块fi作为水印嵌入目标，将图像块fi的位置i作为提取水印的1号密匙进行保存；
步骤102：对图像块fi做小波变换，得到其高频子带系数矩阵H；
步骤103：通过稀疏基Ψ和观测矩阵Φ，对高频子带系数矩阵H及原始的图像块fi做压缩感知变换，得到测量值矩阵YH和YW；
步骤104：对测量值矩阵YH和YW做SVD变换：
其中UH、UW、为正交矩阵，∑H、∑W为对角矩阵；
此时通过使用∑W来替换测量值矩阵YH中的∑H来嵌入水印信息，其公式为：
其中Y′H为嵌入水印后的测量值矩阵，将UW和作为提取水印的2号密匙进行保存；
步骤105：使用观测矩阵Φ、嵌入水印后的测量值矩阵Y′H进行压缩感知优化重构，得到嵌入水印后的高频子带系数矩阵H′；
步骤106：对高频子带系数矩阵H′和原始图像块fi中的低、中频子带做小波逆变换，恢复得到嵌入水印后的图像块f′i；
(2)水印提取部分
步骤201：提取含水印的彩色载体图像中的B通道图像，然后通过1号密匙在B通道图像中找到嵌入了水印的图像块fi *；
步骤202：对图像块fi *进行小波变换，得到高频子带系数矩阵H*，通过稀疏基Ψ和观测矩阵Φ对高频子带系数矩阵H*及图像块fi *做压缩感知变换，获得测量值矩阵
步骤203：对测量值矩阵做SVD变换，得到对角矩阵此时，通过2号密匙提取出水印信息Wi *：
2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：所述步骤101中，选取复杂度高于所设定阈值的图像块作为水印嵌入目标。
3.根据权利要求2所述的基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：所述步骤101中，根据图像块方差值的大小来评判其复杂度，若图像块方差值的大小大于设定的阈值，则将其作为水印嵌入目标。
4.根据权利要求3所述的基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：所述图像块方差值计算的具体过程如下式所示：
设图像的大小为A×A，分块大小为B×B，则图像块方差的计算公式为：
其中，pij表示第i个图像块中第j个像素的灰度值，表示第i个图像块的平均灰度值，Di表示第i个图像块的方差。
5.根据权利要求1所述的基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：所述稀疏基Ψ为正交小波基，测量矩阵Φ为随机伯努利矩阵。
6.根据权利要求1所述的基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：所述步骤105中，对测量值矩阵Y′H做压缩感知优化时选用正交匹配追踪算法。
7.根据权利要求1所述的基于压缩感知的彩色数字图像水印嵌入及提取方法，其特征在于：所述步骤203中，提取到n个图像块fi *的水印信息Wi *后，对n个图像块fi *的水印信息Wi *取均值处理。
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| 基于 HVS 和 DWT 的双彩色数字图像水印技术;万志银等;《图像·编码与软件》;20160131;第29卷(第1期);第145-148页 |
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